新工科背景下《MATLAB与控制系统仿真》翻转教学研究

陶锴

摘 要：新工科背景下的课程教育对学生工程与创新能力提出了更高的要求。针对当前《MATLAB与控制系统仿真》课程中存在的课前学习自主性缺乏、编程互动性欠佳、课后学习实践性效率低下等问题，基于翻转课堂教学思路进行课程的改革研究，着重从控制系统理论准备、课中编程操作、课后复习及多元化考核等方面展开，可提高学生利用MATLAB工具开展系统仿真学习能力，促进其工程能力培养和综合创新素质的提高。

关键词：MATLAB;控制系统仿真;翻转教学;新工科

中图分类号：G64          文献标识码：A          文章编号：1673-9132（2022）10-0012-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.10.004

《MATLAB与控制系统仿真》是传统电气工程自动化、测控仪器专业本科与研究生阶段必修课程之，一随着“卓越工程师计划”的提出，新工科背景下对当代学生的创新与工程能力提出了更高的要求。虽然当前课程教学采用理论讲授与数值模拟编程相结合的方法，但在理论讲授方式、编程实践开展方法以及考核模式方面存在较大的改进空间。翻转课堂在当前高等教育中应用广泛，利于学生综合能力培养和学习效率提高。本文基于翻转课堂教学方法探索此课程的创新教学，分析总结课程教学现状，并以新工科导向对理论与实践教学提出改革研究。

一、存在问题分析

《MATLAB与控制系统仿真》课程由于理论与实践均具有一定的技术门槛，故教师在授课时需要综合处理二者的课时分配和考核占比问题。以笔者在课程教学经验可知，此课程传统教习存在不足如下。

（一）课前学习自主性缺乏

课前预习是高效学习的必要前提，学生通过预习任务提前了解章节内容分配、知识点结构和难点分布，知晓自身学习难点的分布状况，使课堂更具针对性。然而在实际授课中，真正做到课前预习的学生占比较少，大多数学生只能从课堂讲授开始首次接触新知识。造成这一现象主要归咎于课堂时间限制，教师在完成章节内容讲授时往往已经接近下课，无法详细说明下次课程的预习规划，加之学生课程任务量大，对课后复习的重视程度远高于课前预习，没有充分重视此教学环节。

（二）编程教学互动性欠佳

MATLAB是一款应用广泛的数值计算模拟软件，要想基于此工具开展控制系统仿真，首先需要熟练掌握诸如集合写入写出、数据处理及图形绘制等在内的基本操作。当前的课堂教学受课程进度和时间限制，主要采用教师讲授演示方式开展，学生作为知识的接受者，只能被动接受讲授，虽然可通过笔记、学习视频等方法对教师讲授的知识进行回顾，但理论方法与编程实践的时间结合点过长，无法及时利用课堂理论丰富实践操作，减少了编程知识的即时使用性。此外，由于教师演示计算对象多为经典的控制系统案例，变量的输入输出较为固定，故编程操作无法涉及足够的矩阵操作，理论与编程教学互动性欠佳。

（三）课后学习实践性效率低下

基于MATLAB开展的控制系统仿真课程最终目的是掌握基本控制系统组成并学会使用MATLAB工具开展数值模拟，但实际课程中往往侧重教学MATLAB仿真环节，在仿真操作步骤所分配的课时占比较高。此种方法虽然可以更为详细地讲解MATLAB仿真方法，使学生可以学习更全面的编程指令，但由于无法在经典控制系统理论讲授上分配足够的时间，学生无法拥有控制系统知识深层次的理解。由于控制系统理论复杂且内容量庞大，学生在课后自主学习时难度较高，在脱离教师的梳理和引导下难以全面透彻理解知识。基于此种授课模式开展的控制系统仿真也往往偏向于验证性实验，不利于学生自主性和创新性能力培养，学生在课后学习实践性方面效率不足。

二、翻转教学改革措施

《MATLAB与控制系统仿真》虽然知识点繁多，但可依据教学大纲进行模块拆解，将课前、课中及课后学习任务进行合理分配，故翻转课堂教学方法能更好地契合本课程学习特点。

（一）自主性导向预习

课前预习是翻转课堂实施的必要前提，教师在上一次课程结束前应预留一定的时间（一般3-5分钟）用于布置下次课程提纲讲解和预习任务，在任务下达过程中应该突出预习重点，对知识分布和难点进行分解，并以宿舍或班级为单位将学生分组，教师为每组分配预习任务。每组设置小组长，负责为组内成员分配任务，可通过慕课、国内外高校网课等平台下载所需素材。在向学生下发预习任务的同时，教师需要提前筛选多个备选的学习站点，给出完整的预习任务清单。对于关键的矩阵操作与函数使用，教师应提前录制教学视频并给出演示例程，以提高学生预习效率。教师可通过网络平台预留预习小测试，学生完成后提交反馈，此种做法既便于教师及时掌握学生的预习状态，也可为预习工作增加考核的可量化性。此外，为了克服课堂时间限制，可充分利用线上任务布置方式，在课程开始前通过网络平台下发任务，充分实现学生的课前自主性导向预习。

（二）实战化编程

课中学习是翻转课堂教学和知识内化的关键步骤，也是实现课堂学习效率最大化的重点内容。课中学习可分为如下两个步骤：（1）实战化学习展示。此环节为课前预习的展示汇报环节，各小组成员依据前期分配的控制系统仿真算例任务进行演示报告。依据选课人数差异，每小组4-10人不等，组员间合理分工依次进行控制系统理论讲解、MATLAB操作演示、系统仿真展示等。倘若系统变量过多，仿真环节可依据模型功能进一步细化，或针对同一问题从多个角度多次分析。学生在进行任务准备与成果展示时会专注于课程知识，在完成任务自我成就感的激励下取得更好的学习效果。（2）现场编程训练。此门课程的最终目的是将理论与实践结合，熟练掌握基于MATLAB工具的控制系统仿真方法。当前实验设置主要侧重于验证性实验，在完成小组展示后，学生对于知识的熟悉度最高，此时教师可提前设计与此章节相关的控制系统算例，讓学生在课堂给定时间内进行MATLAB编程仿真训练，从实战化角度进一步加深对知识点的理解和应用能力。

（三）课后复习与多元化考核

当前学生的课后复习意识淡薄，往往会等到期末考试前才开始集中式的复习。传统考核方式大多在课程结束后进行，通常由期末考试成绩+平时成绩构成，且平时成绩占比往往较低。此种考核方式虽然可以满足基本教学要求，但容易使学生认为课程重点在期末的考察，从而忽视平时学习过程。为了提高学生在整个学习过程中对课程的重视程度，此处基于翻转课堂思想对课后复习与考核方式进行多元化改革，具体方法如下：（1）设置章节课后复习任务。为了避免期末集中考试时段学生的复习压力，需要在每章节学习后及时复习，权衡知识面覆盖性与学习集中性矛盾。作为一门实践与理论相互交叉的课程，课后除了需要练习MATLAB编程外，还需要加强对于控制系统理论的复习，教师在布置课后复习测试时需要兼顾理论强化与实验编程练习，并及时做好测试效果统计，以调整后续授课方法和进度安排。（2）加大平时成绩在最终课程得分的权重。传统考核方法中期末测试成绩占最终分数的权重过大（一般大于70%），此处将课程分数构成拆解为预习测试得分、现场展示与编程环节得分、课后复习测试环节得分及期末测试得分四个环节，占比分别为10%、20%、20%、50%。此种考核方式需要在课程开始之初明确公布，课程进行中要严格做好数据记录，在总成绩的激励之下使学生更加重视平时学习过程，进而提高知识的内化效果。

三、结语

《MATLAB与控制系统仿真》课程注重理论与实践统一，将翻转课堂教学理念应用于此课程，可以更好地培养学生学科认知、自主学习以及创新能力。课堂中通过课前自主性导向预习、课中实战化编程教学、课后多元化复习考核三个环节开展基于翻转课堂教学方法的课程改革，将学习主动权由教师转换为学生，能使学生具有更好的参与感和积极性，更好地适应新工科背景下电气自动化、仪器科学学科对综合学习能力的培养要求。

参考文献：

[1] 王佳庆，肖忠，王晓刚，等.基于MATLAB的水箱液位控制系统实验设计及教学实践[J].高教学刊，2020（8）.

[2] 单陇红，王凌浩，胡羽沫.基于MATLAB的教学改革研究—以控制工程基础课程为例[J].工业和信息化教育，2019（8）.